2.1. Ноосфера: движение вещества, энергии, информации.

По мнению специалистов различных областей фундаментальной и прикладной науки, современный период в развитии цивилизации может рассматриваться как начало преобразования биосферы в ноосферу. Это глобальное явление с позиций общего развития Земли развивается чрезвычайно быстрыми темпами /2…8, 155…157/.

Согласно общепризнанному учению В.И. Вернадского, ноосфера представляет собой высшую стадию развития биосферы, характеризующуюся сохранением всех присущих ей естественных закономерностей, при максимальных возможностях общества удовлетворять материальные и культурные потребности человека и научной организацией техногенного воздействия на природную среду. Таким образом, ноосфера – это не просто общество, существующее в определенной среде, и не просто природная среда, подвергающаяся сильному воздействию общества, а нечто целое, в котором сливаются развивающееся общество и изменяемая природа. Возникает совершенно новый объект, в котором переплетаются законы живой и неживой природы, общества и мышления, а геохимические функции человечества характеризуются масштабами его производственной деятельности.

В современном понимании геохимическая деятельность человечества (техногенез) представляет собой процессы перемещения (перераспределения), происходящие в результате технической деятельности людей. После исследований В.И. Вернадского, показавших, что особенностью биосферы является неразрывная связь и взаимопроникновение живых организмов и неживой материи и в качестве важнейшего вывода, декларировавшего, что «… человек становится крупнейшей геологической силой», насущной задачей стала необходимость количественных оценок «геологической силы человека» /9…12/.

Для исследования процессов взаимодействия человека с природой используется понятие о самостоятельной оболочке Земли – «техносфере». Вместе с тем общепринятое определение техносферы до сих пор отсутствует. По определению Акимовой и Хаскина (1998): «Техносфера – «техническая оболочка» - искусственно преобразованное пространство планеты, находящееся под воздействием продуктов производственной деятельности человека. Техносфера - это глобальная совокупность орудий, объектов, материальных процессов и продуктов общественного производства» /3/. По определению, предложенному Юсфиным (2002), под техносферой понимается «пространство, в котором к основным процессам, определяющим ход развития, наряду с природными следует отнести антропогенные. Геометрически эта оболочка включает в себя часть экосферы, освоенную человеком» /8/. По определению Карабасова и Чижиковой (2006) техносфера представляет собой «часть биосферы, преобразованную в технические и техногенные объекты», то есть, тождественна артеприродной среде /7/.

По различным оценкам общая масса техносферы составляет около 20 Гт /3…7/. Основную ее часть образуют скопления пустой породы горных разработок, отработанных руд, перемещенных грунтов, производственных отходов, оставленные сооружения, развалины, культурные слои на земле и под землей, т.е. накопившееся за всю историю человечества техногенное вещество.

Современные исследователи процессов техногенеза подчеркивают, что использование природного сырья неразрывно связано с уровнем технологий и инновациями. Выполненные авторами /158…164/ расчеты показывают, что каждым жителем Германии за всю жизнь, средняя продолжительность которой составляет 78 лет, потребляется около 1000 т сырья (2001 год). В среднем на одного жителя стран западного мира в год требуется около 15 т сырья, а в развивающихся странах с переходной экономикой этот показатель примерно в 10 раз ниже (2001…2005 годы). Однако Китай, Индия, страны Юго-Восточной Азии и Латинской Америки быстрыми темпами развивают свою промышленность, и разрыв в потреблении ресурсов в разных регионах мира быстро сокращается /158…161/.

Оценка материальных потоков на уровне отдельной страны может служить наиболее объективным индикатором ее устойчивого развития /12, 22, 24, 41, 59/. Количественная оценка приращения техносферы ежегодно производится в Германии (с 1991 года), Японии и США (с 2000 года), Италии (с 2005 года). К сожалению, при этом используются разные методики и учитываются различные балансовые статьи. Однако в целом для передовых индустриальных стран можно отметить прирост техносферы, главным образом за счет строительства зданий, дорог, развития инфраструктуры, в размере около 10 тонн на человека в год. При этом доля металлов (по сути – стальных изделий) составляет от 3 до 7 % (от 300 до 700 кг/чел. год).

Все вещества в биосфере мигрируют в рамках биогеохимического цикла или круговорота. Принято выделять два основных круговорота: большой (геологический) и малый (биологический). Круговорот элементов рассматривается /2…8, 14, 147/ в качестве важнейшего параметра устойчивости биосферы и, как правило, определяется в виде суммы трех основных компонентов:

G = G^S + G^db + G^dg,

где G^S – запас элементов в антропосфере (техносфере), G^db – баланс элементов в малом биологическом круговороте, G^dg – баланс элементов в большом геологическом круговороте.

Участие элементов в биологическом круговороте характеризуется показателями биофильность (Bf) и биотичность (Bt) /4…8/. Показатель биофильности элементов представляет собой отношение содержания элемента в золе растений к кларку литосферы. Показатель биотичности элементов, оценивающий полноту биогеохимической связи с биосферой в целом, представляет собой отношение содержания элемента в живом организме к кларку биосферы. Чем выше показатель биотичности, тем интенсивнее растения накапливают данный элемент. В группу, характеризующуюся высокой биотичностью (>0,5), входят элементы с относительно высокими (К, Са), средними (S, Сl, Р) и низкими (Ва) кларками биосферы. Наименьшая биотичность свойственна элементам с очень высокими кларками биосферы (Si, Fе, Аl).

С развитием техносферы биогеохимические циклы трансформировались в технобиогеохимические. Для создания необходимой продукции и получения энергии человек находит, добывает и перемещает к местам переработки необходимые природные ресурсы, вовлекая их в ресурсный круговорот или ресурсный цикл. Ресурсный цикл часто определяется как «совокупность превращений и пространственных перемещений определенного вещества или группы веществ, происходящих на всех этапах использования его человеком» /4…8, 164…168/.

В природопользовании выделяют несколько ресурсных циклов, которые, несмотря на относительную самостоятельность, тесно связаны друг с другом. Например, известны и проанализированы циклы:

• почвенно-климатических ресурсов и сельскохозяйственного сырья и продукции,

• природных материально-сырьевых ресурсов,

• энергетических ресурсов,

• природных биологических ресурсов.

Эффективность организации антропогенных ресурсных циклов требует контроля ряда процессов, который еще не нашел свое место в системе управления ресурсами. Для этой цели предлагаются некоторые характеристики и показатели.

Потенциал самоочищения - геохимическая характеристика - способность геохимического ландшафта без самоуничтожения разлагать отбросы и отходы, устранять их вредное влияние на Природу. Потенциал самоочищения в основном определяется особенностями самого ландшафта, в частности, развитием в его пределах различных живых организмов /5…7/.

Рекреационная нагрузка - степень влияния людей (их транспортных средств и строительства) на природные (биогенные) ландшафты или рекреационные объекты. Выражается числом людей (человеко-дней) на единицу площади в единицу времени /5…8/.

Технофильность - отношение годовой добычи элемента к его кларку в земной коре. Показатель введен А.И. Перельманом. Коэффициент технофильности (Kt) представляет собой отношение ежегодного объема добычи элемента к его кларку:

K_t = Q₁/K_l

где, K_t - коэффициент технофильности;

Q₁ - ежегодный объем добычи элемента, т;

K_l – кларк этого элемента.

Коэффициент технофильности является мерой использования данного элемента и может изменяться со временем. Наиболее высокую технофильность имеют С, Рb, Нg, Ni, Сu. С позиций геохимии в современных условиях преобразования биосферы в ноосферу именно для элементов с высокими коэффициентами технофильности должны происходить наибольшие изменения миграционных потоков.

Техногенная фиксация /4…8/. Коэффициент техногенной фиксации (Кf) равен отношению объема добычи элемента из недр земли (Q1) к объему его рассеивания за то же время (Q2):

K_f = Q₁/Q₂

K_f - коэффициент техногенной фиксации,

Q₁ - объем добычи элемента из недр земли, т;

Q₂ - объем рассеивания элемента за то же время, т.

Показатель относительного использования химических элементов представляет собой отношение количества элемента (в тоннах), поступающего в любой форме нахождения в определенный регион (страну, область, город) в течение года к его истинному кларку (фоновому содержанию). При подсчете показателя учитывается поступление элементов из других регионов в виде сырья, различных машин, механизмов, продуктов питания /4…8, 14/.

Показатель относительного техногенного накопления химических элементов представляет собой отношение количества элемента (в тоннах), накопившегося в ландшафте или в его определенной части в результате техногенеза, к кларку (местному фоновому содержанию) этого элемента в аналогичном природном ландшафте, не испытывающем техногенного воздействия /4…8, 14/.

При постоянно возрастающей скорости перехода биосферы в ноосферу проблемы объективной комплексной оценки состояния окружающей среды и разработки научно обоснованного прогноза изменений, происходящих под воздействием антропогенной деятельности, становятся все более актуальными. Это в первую очередь обусловливается непрерывно возрастающим загрязнением биосферы, сопровождающим различные техногенные процессы. Без объективной комплексной оценки невозможно как принятие научно обоснованных решений, связанных с охраной окружающей среды, так и рациональное использование природных ресурсов /3…8, 14, 165…168/.

Ноосфера подразумевает необходимость мониторинга и управления движением вещества, энергии и информации в масштабе, как минимум, биосферы и антропосферы (техносферы). Движение (круговорот) элементов в большом технобиогеологическом круговороте реализуется в подвижных средах (миграционными потоками). Особо выделяют миграционные потоки:

• гидросферный перенос (поверхностными, подземными и океаническими водами),

• атмосферный перенос,

• техносферный перенос (в результате промышленной деятельности и торговли).

Скорость движения элементов в технобиогеохимическом потоке зависит от свойств элементов, среды потока, ландшафтных условий. Технобиогеохимические потоки приводят к существенному перераспределению элементов в биосфере - дифференциации. Характер (обеднение или аккумуляция) и уровень дифференциации оценивается кларком концентрации. Кларк концентрации некоторого элемента ККi:

ККi = [Ci]/Kli

где [Ci] - концентрация элемента в конкретном объекте,

Kli - кларк того же элемента.

В связи с развитием техносферного переноса скорость движения элементов в технобиогеохимическом потоке во все большей степени определяется социальными факторами и может практически контролироваться и управляться с помощью законодательства /169…171/.

Функционирование техносферы, представляющей собой глобальную динамическую систему, основано на взаимодействии трех потоков: вещества, энергии и информации. Соотношение между потоками вещества, энергии и информации, как в живом организме, так и в технологическом процессе, в производстве, экономике в целом определяет важнейшие количественные и качественные характеристики деятельности системы. Поэтому в последние десятилетия активно предпринимаются попытки установления функциональной связи информации с веществом и энергией и количественного описания основных техногенных потоков, а также количественной оценки взаимодействия природных и техногенных миграционных потоков /6…8, 14, 147/.